JP2764115B2 - 高感度磁場検出器の製造方法 - Google Patents

高感度磁場検出器の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は高感度電磁気センサ、
電流計、変位計、または高周波信号増幅器などに応用す
る直流駆動型超伝導量子干渉素子（ＤＣ Ｓｕｐｅｒｃ
ｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅ
ｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ 以下ＤＣ−ＳＱＵＩＤと略
す）の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】従来の工程の断面図を図２（ａ）〜（ｅ）
に示す。この工程は検出コイル一体型のＳＱＵＩＤであ
り、検出コイル１、帰還変調コイル２、入力コイル３を
先に製作してから他の工程を製作する方法である。以下
各工程を簡単に説明する。図２（ａ）は検出コイル１、
帰還変調コイル２及び入力コイル３を超伝導膜で製作
後、第１絶縁膜４で表面を平坦化する工程である。超伝
導膜はＮｂをスパッタで堆積し、第１絶縁膜４はプラズ
マＣＶＤでＳｉＯ2 を堆積後ＳＯＧを塗布して平坦化を
行なう。
【０００３】図２（ｂ）はＳＱＵＩＤをシャントまたは
ダンピングする抵抗膜５を堆積後、第２絶縁膜６により
前記抵抗膜５を設計値にする工程である。抵抗膜５はＰ
ｄを使用し、第２絶縁膜６はＭｇＯを共に蒸着で堆積す
る。図２（ｃ)、（ｄ）はジョセフソン接合１０とワッシ
ャーコイル１１を製作する工程である。ジョセフソン接
合１０はＮｂ／Ａｌ−ｏｘｉｄｅ／Ｎｂ構造をスパッタ
で堆積する。ワッシャーコイル１１はジョセフソン接合
１０の下部電極７で形成する。
【０００４】図２（ｅ）は第３絶縁膜１２を堆積後、超
伝導膜による対向電極１３を形成する工程である。第３
絶縁膜１２はＳｉＯ、対向電極１３はＰｂＩｎを共に蒸
着で堆積する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図２の工程は検出コイ
ル１、帰還変調コイル２、入力コイル３を先に製作して
から他の工程を製作するため、堆積した膜をフォトリソ
技術でパターニングする時のマスク枚数が増えてしま
う。また工程数が増加するため、製作時間がかかり、素
子の歩留まりが低下する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、帰還変調コイル、入力コイルのエッチングを等方性
エッチングでテーパ状にパターニングし、ＳＯＧによる
平坦化工程をなくす。また入力コイル、帰還変調コイル
を製作する工程と同時にジョセフソンン素子、対向電極
の少なくとも一つを製作するようにした。
【０００７】
【作用】上記製造方法により、マスク枚数が減少するた
め、工程数を減ることが可能となり、歩留り、特性とも
向上した磁場検出器が製造できる。
【０００８】
【実施例】以下に本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図３に本発明の第１実施例の平面図を示
す。図１（ａ）〜（ｄ）は図３Ａ−Ａ’での工程の断面
図であり、この図により製作方法を説明する。図１
（ａ）はＤＣ−ＳＱＵＩＤをシャントまたはダンピング
する抵抗膜５を堆積後、第２絶縁膜６により前記抵抗膜
５を絶縁し、抵抗を設計値にする工程である。抵抗膜５
の例としてはＭｏ、ＭｏＮ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、
Ｐｄ等の金属がありいずれもスパッタや蒸着で堆積可能
である。ここではＭｏをＤＣマグネトロンスパッタで１
００ｎｍ堆積し、フォトリソ工程で、設計のサイズにパ
ターニングする。第２絶縁膜６はＳｉＯ2 、ＳｉＯ、Ｓ
ｉ、ＭｇＯ等がある。どれもスパッタ、蒸着、ＣＶＤ等
で堆積できる。堆積膜厚は抵抗膜５を完全に絶縁するよ
うに抵抗膜５の１．５倍から２倍程度にする。
【０００９】ここではＲＦマグネトロンスパッタで、Ｓ
ｉＯ2 を１５０−２００ｎｍ堆積し、フォトリソ工程で
抵抗膜５とコンタクトがとれるようにする。ＳｉＯ2 の
エッチングはウエットとドライエッチングの両方が可能
である。ウエットエッチングの例としてはフッ酸の混合
液を使った方法がある。ドライエッチングの例としては
ＣＦ4 やＣＨＦ3 と酸素の混合ガスを使った反応性イオ
ンエッチング（ＲＩＥ）がある。ここではＣＨＦ3 と酸
素の混合ガスを使ったＲＩＥによりＳｉＯ2 をエッチン
グする。
【００１０】図１（ｂ）は、ジョセフソン接合１０を製
作するために、下部電極７、障壁層８、上部電極９を堆
積し、上部電極９と障壁層８をフォトリソ工程でエッチ
ングする工程である。ジョセフソン接合１０の例はＮｂ
／Ａｌ−ｏｘｉｄｅ／Ｎｂ構造の他にＮｂＮ／ＭｇＯ／
ＮｂＮ、Ｎｂ／Ｓｉ／Ｎｂ、Ｎｂ／Ｎｂ−ｏｘｉｄｅ／
Ｎｂ等種々の構造があるが、ここではＮｂ／Ａｌ−ｏｘ
ｉｄｅ／Ｎｂ構造をスパッタで堆積する。堆積例を以下
に示す。
【００１１】１０-5Ｐａ台以下まで高真空に引かれた反
応室にＡｒガスを導入し圧力を０．２から４Ｐａで下部
電極７のＮｂ膜をＤＣマグネトロンスパッタで堆積す
る。膜厚は第２絶縁膜６の１．５倍から２倍程度にし、
２００から３００ｎｍ堆積する。アルゴンガス導入を止
め再び反応室を１０-5Ｐａ台以下まで高真空に引いた
後、アルゴンガスを導入し圧力を０．２から４ＰａでＡ
ｌをＤＣマグネトロンスパッタし１から２０ｎｍ堆積す
る。
【００１２】ここでＡｌスパッタ前は特に高真空に排気
を行なわなくても問題はない。反応室を１０-5Ｐａ台以
下まで高真空に引き、酸素ガスまたは酸素とアルゴンの
混合ガス等を導入し圧力を設定値にし、Ａｌ表面を酸化
してＡｌＯｘ／Ａｌの障壁層８を形成する。反応室を１
０-5Ｐａ台以下まで高真空に引き上記Ｎｂ堆積条件で再
び上部電極９を１００から３００ｎｍ堆積する。次にフ
ォトリソ工程により上部電極９と障壁層８をエッチング
し、ジョセフソン接合１０を形成する。エッチング方法
は一般的にプラズマによるドライエッチングを使う。上
部電極９のＮｂはＣＦ４またはＣＦ４と酸素の混合ガス
を使い反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）する。障壁層
８のＡｌは酸を使ったウエットエッチまたはＡｒガスに
よるＲＩＥで除去でする。ここで障壁層８はエッチング
を行なわなくてもよい。
【００１３】図１（ｃ）はジョセフソン接合１０の下部
電極７として堆積した超伝導膜をフォトリソ工程でパタ
ーニングして、検出コイル１、帰還変調コイル２、入力
コイル３を形成する工程である。エッチング方法は一般
的にプラズマによるドライエッチングを使う。下部電極
７のＮｂはＣＦ4 と酸素の混合ガスを使いプラズマエッ
チまたは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）する。ここ
でのエッチングは前記上部電極９のエッチングと異な
り、酸素の量を多くして等方性エッチングをするととも
に酸素により、パターン周辺のレジスト膜を削りテーパ
状にする。具体例としてはプラズマエッチング装置でＣ
Ｆ4 に１０パーセントの酸素を添加したガスで、圧力１
３３Ｐａ、パワー５０ｗでエッチング可能である。
【００１４】図１（ｄ）は層間絶縁膜である第３絶縁膜
１２を堆積後フォトリソ工程でコンタクトホールを開け
た後、超伝導膜を堆積してフォトリソ工程でワッシャー
コイル１１と対向電極１３を形成する工程である。第３
絶縁膜１２は第２絶縁膜６と同様の方法で堆積でき、こ
こではＲＦマグネトロンスパッタで、ＳｉＯ2 を３００
−５００ｎｍ堆積し、フォトリソ工程でコンタクトホー
ルを開ける。ＳｉＯ2 のエッチングは第２絶縁膜６と同
様にＲＩＥで行なう。超伝導膜の例としてはＮｂ、Ｎｂ
ＮやＰｂ−Ｉｎ、Ｐｂ−Ｉｎ−Ａｕをスパッタや蒸着で
堆積するものがある。ここではジョセフソン接合の電極
と同様にして、Ｎｂ膜をＤＣマグネトロンスパッタで４
００−６００ｎｍ堆積する。堆積前に超伝導コンタクト
になるように基板をＡｒガスで逆スパッタする。この後
フォトリソ工程により、ワッシャーコイル１１と対向電
極１３及び他の配線部分を形成する。エッチングは前記
の下部電極７と同様にプラズマエッチングで行なう。
【００１５】図５は本発明第２実施例の平面図であり、
検出コイル１は省略してある。図４は図５Ａ−Ａ’の工
程の断面図である。この工程は検出コイル１、帰還変調
コイル２、入力コイル３と同時に対向電極１３を製作す
る方法であり、各層の製作方法は第１実施例と同様であ
る。図６は第３実施例の工程断面図である。この製作方
法はジョセフソン接合１０の形成方法が前記二つの実施
例と異なり、先に下部電極７までエッチングした後に上
部電極９を形成する方法である。（図６(b),(c) ）この
工程では上部電極９のエッチングの際に、第２絶縁膜６
がエッチングされないようにする必要がある。第２絶縁
膜にＳｉＯ2 、ＳｉＯ、Ｓｉを使用する場合は、表面を
Ａｌ、Ａｌの酸化膜、ＭｇＯ等で覆っておきエッチング
されないようにする。図６は図１の第１実施例に対応し
ているが、検出コイル１、帰還変調コイル２、入力コイ
ル３を第２実施例と同様の工程で製作すれば第２実施例
にも適用可能である。
【００１６】図７は第４実施例の工程断面図である。第
３絶縁膜１２をリフトオフ工程でセルフアラインする方
法である。具体例としてはレジスト１４をマスクにして
上部電極９をＲＩＥでエッチングした後、ＳｉＯを蒸着
で堆積しリフトオフする。第４実施例では第３絶縁膜に
コンタクトホールを開けるフォトリソ工程がなくなるた
め、マスク枚数がさらに減少し、より工程の少ない製造
方法となる。
【００１７】以上いくつかの実施例を示したが、他にも
各層の順番を入れ換えることで多数の製作方法が可能で
ある。例えば、一番最後の層はテーパ状にする必要はな
く、リフトオフ工程でパターニングしてもよい。抵抗膜
５は最初に製作しているが、ジョセフソン接合１０を製
作した後に製作してもよい。検出コイル１は他の工程と
独立して製作可能なため、帰還変調コイル２、入力コイ
ル３と一緒に製作する必要はない。また同一面内に一体
型で製作する方法と別々に製作して後で超伝導接続する
ことも可能である。前記の実施例ではワッシャーコイル
１１はジョセフソン接合１０の間の部分に隙間が開き磁
束が漏れ、特性が悪くなることがある。従ってマスクを
２枚増やして隙間部分を超伝導膜で被う方が特性は良く
なる。
【0018】今までの例ではワッシャーコイル１個で出来て
いるＤＣ−ＳＱＵＩＤを示したが、２個にすればワッシ
ャーコイルに直接入る磁場をキャンセルし、検出コイル
のみの磁場をより高感度に検出できる。前記ＤＣ−ＳＱ
ＵＩＤの製作工程の各実施例でワッシャーコイルを２個
にしたタイプを製作することは可能である。図８はワッ
シャーコイルを直列に接続したＤＣ−ＳＱＵＩＤの平面
図である。
【0019】図９はワッシャーコイルを並列に接続したＤＣ
−ＳＱＵＩＤの平面図である。またさらに磁場勾配を検
出するグラジオメータタイプのＤＣ−ＳＱＵＩＤの製作
も可能であり、平面図を図１０に示す。１次微分型の検
出コイル１とＤＣ−ＳＱＵＩＤ本体１５からなり、ＤＣ
−ＳＱＵＩＤ本体１５は図８または図９のダブルワッシ
ャータイプである。
【００２０】
【発明の効果】本発明によれば、ＤＣ−ＳＱＵＩＤの製
造をマスク枚数を減少させ、工程数を減らして行うこと
ができ、歩留まり、再現性とも向上した磁場検出回路の
製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の工程の断面図である。
【図２】従来の工程の断面図である。
【図３】本発明の第１実施例の平面図である。
【図４】本発明の第２実施例の工程の断面図である。
【図５】本発明の第２実施例の断面図である。
【図６】本発明の第３実施例の工程の断面図である。
【図７】本発明の第４実施例の工程の断面図である。
【図８】ダブルワッシャーコイル直列接続ＤＣ−ＳＱＵ
ＩＤの平面図である。
【図９】ダブルワッシャーコイル並列接続ＤＣ−ＳＱＵ
ＩＤの平面図である。
【図１０】グラジオメータＤＣ−ＳＱＵＩＤの平面図で
ある。
【符号の説明】
１ 検出コイル ２ 帰還変調コイル ３ 入力コイル ４ 第１絶縁膜 ５ 抵抗膜 ６ 第２絶縁膜 ７ 下部電極 ８ 障壁層 ９ 上部電極 １０ ジョセフソン接合 １１ ワッシャーコイル １２ 第３絶縁膜 １３ 対向電極 １４ レジスト １５ ＤＣ−ＳＱＵＩＤ本体以上
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−318981（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−116989（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 39/22 ZAA G01R 33/035 ZAA

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 磁場を検出し信号電流とする検出コイル
    と、前記検出コイルと二つの入力端子で超伝導結合した
    入力コイルと、外部制御系からの信号を伝える帰還変調
    コイルと、前記入力コイル及び前記帰還変調コイルと磁
    気的に結合した超伝導リングを構成するワッシャーコイ
    ル、及び、対向電極と、前記ワッシャーコイルと接続さ
    れ、障壁層を下部電極と上部電極で挟む構造を有し、前
    記信号電流を電圧に変換するジョセフソン接合とを基板
    の一方の面に備えた直流駆動型超伝導量子干渉素子にお
    いて、前記入力コイルと前記帰還変調コイルを製作する
    工程と同時に前記ジョセフソン接合の下部電極あるいは
    前記対向電極の内少なくとも一方を製作することを特徴
    とした高感度磁場検出器の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記入力コイル、前記帰還変調コイル、
    前記ワッシャーコイルの内少なくとも一つを等方性エッ
    チングで形成し、断面をテーパ形状にする請求項１記載
    の高感度磁場検出器の製造方法。
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